在過去十年間，作為越來越精密的結構和功能組件，玻璃在平板顯示器、汽車和建築等各領域的應用廣泛。這推動著玻璃製造商改善玻璃自身的特性、研發更先進的玻璃塗料，以及改進玻璃切割工藝，具體而言包括提高切割精度、加快切割速度、減少對環境的影響，以及降低切割成本。本文概要介紹玻璃激光切割技術，並探究在某些應用環境中，激光切割相較於傳統機械加工法的優勢。

傳(chuan) 統方法

人們(men) 通過各種形式的傳(chuan) 統技術切割玻璃幾乎已有幾個(ge) 世紀，也就是先用鋒利的堅硬工具（通常為(wei) 金剛石或碳化物砂輪）刻劃玻璃表麵，然後施加機械掰斷力，讓玻璃沿劃痕完全分離。在自動式係統中，玻璃分離往往是由壓到玻璃上的“閘刀杆”實現。

遺憾的是，這種方法有許多缺陷，尤其在如今平板顯示器 (FPD) 中越來越多采用超薄基板的環境中，這些缺陷更加明顯。主要缺陷在於(yu) 刻劃工具施加的機械力會(hui) 讓材料產(chan) 生細微裂紋、後續掰斷步驟會(hui) 造成小缺口和碎屑，而且切割邊緣也不一定與(yu) 玻璃表麵垂直。另外，機械切割會(hui) 在成品邊緣留下相當大的機械應力。（實際上，當基板厚度小於(yu) 1 毫米時，由於(yu) 玻璃特別容易斷裂，因此很難使用機械切割法。）為(wei) 了防止玻璃在經受首道切割工序之後出現破裂或斷裂，可能必須對切割表麵進行打磨或拋光。另外，加工後可能還必須安排清潔環節來清除可能對後續流程（例如電路形成）造成幹擾的碎屑（當玻璃用作微電子製造中的基板時）。

對製造商而言，在加工後安排各種邊緣打磨和清潔環節無疑會(hui) 額外增加製造工時和成本。這些環節也可能會(hui) 對環境造成負麵影響，包括產(chan) 生不易處理的碎屑，或為(wei) 了進行清潔需要耗用大量水資源。另外，如今對曲線邊緣（尤其是用於(yu) 便攜式設備的 FPD）的需求量越來越大，而玻璃機械切割法對切割曲線邊緣的支持度卻不高。

鑒於(yu) 當今的玻璃使用趨勢，上述這些局限顯得尤為(wei) 嚴(yan) 峻。具體(ti) 來說，如今的市場發展趨勢包括：製造的零件的精度更高、零件的形狀和切口有時非常複雜、使用超薄（小於(yu) 1 毫米）基板，以及化學強化玻璃開始出現（機械法尚不支持切割這種玻璃）。

激光切割的優(you) 點

目前，用於(yu) 玻璃切割的激光技術有許多種，並且這些技術的實現方式多種多樣。不過，所有這些玻璃激光切割技術的主要優(you) 點都有一些類似。

首先，所有激光切割法都采用非接觸式加工工藝，這就大大避免了細微裂紋和碎屑的問題。另外，激光切割法留在玻璃中的殘餘(yu) 應力極小（不同切割法的殘餘(yu) 應力有所不同），因而切割邊緣的強度更高。這一點非常重要，如果殘餘(yu) 應力太大，那麽(me) 即使在玻璃板中心施力，往往也會(hui) 導致玻璃邊緣發生破裂。因此，與(yu) 采用機械法切割的玻璃相比，激光切割的玻璃能承受的力要大一到兩(liang) 倍。

圖 1.機械切割玻璃（左圖）與(yu) 激光切割玻璃（右圖）比較。圖中顯示，機械切割玻璃存在相當大的殘餘(yu) 應力，並且切割過程留下了大量碎屑。

 

由於(yu) 很少需要（或完全不需要）後續清潔或打磨階段的工作，因此激光切割還可以減少工藝環節的數量。因此，雖然激光切割工作台的資本成本比機械係統高，但由於(yu) 不需要額外配備打磨機，所以激光切割的總投資要比機械加工係統低。由於(yu) 對後處理工作和清潔工作的需求下降，因此激光切割法比機械法更環保，耗用的水資源也更少（或完全不需要耗用水資源）。

最後，有些激光切割法支持玻璃曲線切割。如今對曲線切割的需求量越來越大，尤其在手機製造行業(ye) ，製造商們(men) 希望生產(chan) 幾何形狀更複雜的屏幕，包括在材料上打孔來容納按鍵、控製鍵、LED 和相機鏡頭。

CO₂和 CO 激光器

二氧化碳 (CO₂) 激光器用於(yu) 切割玻璃已有多年。相比之下，作為(wei) 工業(ye) 實用型工具的一氧化碳 (CO) 激光器直到 2015 年才由相幹公司率先推出，可算是剛剛開始在這一應用領域的部署。不論是 CO₂激光器還是 CO 激光器，都有玻璃切割速度快、產(chan) 量大的優(you) 點。

CO₂和 CO 激光源加工玻璃的原理都是在局部密集加熱。具體(ti) 來說，所有玻璃都極易吸收 CO₂激光器產(chan) 生的 10.6 微米波長，因此聚焦的激光束能夠快速加熱玻璃表麵或近表麵區域。為(wei) 了實現切割效果，玻璃需要相對激光束平移，並且由玻璃上方的噴液或噴氣口對玻璃進行快速冷卻。由此帶來的熱衝(chong) 擊會(hui) 讓玻璃形成連續切縫。如果玻璃較薄，切縫可以完全穿透基板，從(cong) 而直接完成切割，這叫做“整體(ti) 切割”。如果玻璃比較厚，那麽(me) 還需要額外通過一個(ge) 激光或機械式掰斷環節才能完成切割，這叫做“激光劃線”。

圖 2.CO₂激光器劃線示意圖。

 

CO 激光器的總體(ti) 加工過程大致同上。不過，玻璃對 CO 激光器輸出的 5 微米到 6 微米激光的吸收率顯著降低，這讓激光照射大塊材料時能夠穿透得更深。因此，熱量能夠直接深入大塊玻璃，而無需依靠從(cong) 表麵傳(chuan) 播。相幹公司開展的測試表明，這能比使用 CO₂激光器進一步降低殘餘(yu) 應力，從(cong) 而提高切割工件的強度，同時讓製造商能夠擴大加工區間。

CO 激光器還有一個(ge) 吸引人的優(you) 點是支持曲線切割。CO₂激光器往往局限於(yu) 以直線切割玻璃，因為(wei) 其圓形輸出光束必須重塑為(wei) 細長光線，才能更好地發散表麵產(chan) 生的高溫。相比之下，CO 激光器吸收率較低的特點讓它能直接使用圓形光束，而且不會(hui) 產(chan) 生不利的熱影響。另外，CO 激光器還支持切割化學強化玻璃。

圖 3.輸出功率僅(jin) 9 瓦的 CO 激光器以 140 毫米/秒的加工速率，在超薄玻璃（厚度 50 微米）上實現平滑整齊的曲線切割效果（半徑 6 毫米的圓）。

 

激光燒蝕

激光燒蝕的玻璃加工機製與(yu) 通過熱衝(chong) 擊形成切縫的 CO₂和 CO 激光器完全不同。激光燒蝕實現劃線的方式是通過精準燒蝕真正去除材料。當施加功率足夠大的激光，從(cong) 而在玻璃中激發非線性吸收時，就會(hui) 實現燒蝕。這樣一來，就能通過局部密集加熱（熱燒蝕）或通過極高峰值功率直接破壞原子間化學鍵（光燒蝕）來去除材料。

用於(yu) 激光燒蝕的激光器要麽(me) 是脈寬在納秒級的 Q 開關(guan) 半導體(ti) 泵浦固體(ti) 激光器，要麽(me) 是脈寬在皮秒乃至飛秒級的工業(ye) 超快激光器。這些工業(ye) 超快激光器往往使用鎖模半導體(ti) 泵浦固體(ti) 激光器作為(wei) 種子來實現後續的一級或多級放大。

通過激光燒蝕來切割玻璃存在許多不同形式，不過所有這些形式有個(ge) 共同點，那就是激光脈衝(chong) 會(hui) 從(cong) 基板上打下微小碎屑。通常，脈寬與(yu) 去除的顆粒的大小有直接關(guan) 聯。脈寬為(wei) 納秒級的激光器產(chan) 生的碎屑大小以數微米為(wei) 單位，超快激光器產(chan) 生的顆粒以數百納米為(wei) 單位。

納秒脈寬激光器發射的綠光（532 納米）或紫外光（355 納米）往往會(hui) 穿透透明基板頂層，並且最初聚焦於(yu) 底部表麵。在這種所謂的“自下而上”方法中，燒蝕下來的碎屑會(hui) 受重力作用從(cong) 材料相互作用區域掉落。通過沿預期輪廓移動貫穿基板的聚焦光束，刻劃或切割邊緣幾乎可以是任何邊緣輪廓，包括曲線切割、槽、孔、溝槽、斜麵和切麵。

與(yu) 其他方法相比，這類燒蝕方法的加工速度比較慢。舉(ju) 例來說，用這種方法在厚度 3 毫米的鈉鈣玻璃上鑽一個(ge) 直徑 1 毫米的孔大約需要 1 秒鍾。切割自由輪廓的速度為(wei) 每秒鍾幾毫米。這種方法的缺陷還包括無法加工強化玻璃，而且加工邊緣往往存在大小約在 10 微米到 50 微米的較大碎屑。

圖 4.采用“自下而上”方法加工的通孔

 

超快激光器的劃線過程通常是激光首先聚焦於(yu) 基板上表麵，然後通過調整光束聚焦點讓加工深度達到穿透整個(ge) 材料。由於(yu) 切割過程中產(chan) 生的微小顆粒不能自動從(cong) 劃片掉落（雖然通過一定方法可以去除這些顆粒），因此超快激光器難以實現“自下而上”的鑽孔或切割。除了切割速度較慢和邊緣較粗糙這兩(liang) 個(ge) 局限性之外，使用超快激光器進行頂部劃線的局限性還包括劃片和孔始終會(hui) 存在範圍通常在 8°到 12°的錐度。

在超快激光器中，飛秒激光器的切割質量已被證明優(you) 於(yu) 皮秒激光器，不過由於(yu) 工業(ye) 激光器提供的平均功率較低，飛秒激光器的切割速度往往更慢。

SmartCleave成絲(si) 切割

玻璃切割也能通過特定形式的內(nei) 部變形來實現。這個(ge) 過程叫做“成絲(si) ”，同樣需要利用由超快激光器聚焦光束提供的超高功率密度。在這個(ge) 過程中，受非線性克爾光學效應影響，超高密度的激光光束會(hui) 產(chan) 生自聚焦現象。這種自聚焦會(hui) 進一步提高功率密度，直到達到某一閾值後在材料中產(chan) 生低密度等離子體(ti) 。這種等離子體(ti) 會(hui) 降低材料在光束路徑中間的折射率，並會(hui) 造成光束散焦。通過適當配置光束聚焦光學部件，可以讓這種聚焦/散焦效應達到平衡，從(cong) 而實現周期性重複並在光學透明材料中形成長達數毫米、較為(wei) 穩定的光絲(si) 。這種光絲(si) 的直徑通常在 0.5 微米到 1 微米之間。

圖 5.激光光絲(si) 在厚度為(wei) 0.5 毫米的藍寶石中形成一係列平行空隙。

 

為(wei) 了有效得到零間隙切割或穿孔線，需要移動工件與(yu) 激光光束之間的相對位置，讓激光生成的光絲(si) 彼此靠近。根據材料厚度和需要的切割幾何圖形，切割速度可以達到 100 毫米/秒至 2000 毫米/秒。

Coherent | Rofin利用成絲(si) 技術研發的代表性技術叫作SmartCleave。這一技術由Rofin在采購的工藝技術基礎上進一步研發，然後搭配相幹公司的高級工業(ye) 超快激光器形成。最終形成的工藝可快速切割任意形狀、厚度為(wei) 0.05 毫米到 10 毫米的透明脆性材料（包括曲線切割、自由形式切割和內(nei) 嵌切割），並且無錐度產(chan) 生。SmartCleave的切割麵平滑，R_a小於(yu) 1 微米，並且無缺口和碎屑。與(yu) 機械式工藝相比，這樣得到的切割工件的彎曲強度更高。

對於(yu) 非強化透明玻璃（例如鈉鈣玻璃、硼矽酸鹽玻璃和鋁矽酸鹽玻璃）以及藍寶石，在成絲(si) 之後還需增加一個(ge) 分離環節。這可以通過施加一個(ge) 不大的機械力或溫差力來實現。例如，後者可以由 CO₂激光器加熱來提供。對於(yu) 化學強化或熱強化玻璃，工件內(nei) 部的應力可以實現自動沿外部輪廓分離，因此無需再額外增加其他環節。

圖 6.SmartCleave支持快速對玻璃進行曲線切割和內(nei) 嵌切割，例如切割用於(yu) 顯示屏基板的玻璃。

 

實施SmartCleave

隨著相幹公司於(yu) 2016 年收購Rofin，SmartCleave技術現已融入相幹公司的工業(ye) 超快激光器係列，包括 HYPERRAPID 係列。這些產(chan) 品提供了輸出功率、可靠性和操作靈活性的獨特組合，包括支持突發模式和按需脈衝(chong) 操作。因此，在特定應用環境中有效實施成絲(si) 切割的能力達到了無以倫(lun) 比的水平。

另外，Coherent | Rofin提供各種產(chan) 品以多種多樣的集成配置支持SmartCleave加工。首先是激光源，例如 HYPERRAPID 係列產(chan) 品。我們(men) 還提供將激光器與(yu) 光束傳(chuan) 輸光學部件和控製電子器件集成在一起的子係統。另外，可以將這些器件配置為(wei) 所謂的“黑盒”子係統，也就是針對特定工藝提供現成的特定配置。這些配置已開發和編程完畢，能夠支持和優(you) 化這一特定工藝。最後，Coherent | Rofin還能提供完善、即時可用的係統來實現SmartCleave工藝，並且這些係統隨時能夠在生產(chan) 環境中投入使用。

總之，實踐證明，激光器是能在廣泛應用環境中代替傳(chuan) 統玻璃切割技術的可行替代方案。一般來說，在機械法不能提供所需的切割質量或特征，或者舊方法因需要大量後期處理而變得過於(yu) 昂貴時，激光器的優(you) 勢最大。然而，玻璃激光切割涉及的範圍很廣，涵蓋多種不同的技術，並且每種技術都有其獨特的特征和優(you) 點。作為(wei) 唯一一家幾乎能提供所有玻璃切割激光器的供應商，相幹公司占據獨一無二的優(you) 勢地位，能夠為(wei) 具體(ti) 應用環境提供最佳解決(jue) 方案。對於(yu) SmartCleave成絲(si) 切割，相幹公司將受專(zhuan) 利保護的技術知識與(yu) 卓越的激光技術相結合，滿足在生產(chan) 環境中成功實現這一卓越技術的相關(guan) 要求。

 

作者信息

Roland Mayerhofer，Coherent | ROFIN

George Oulundsen，相幹公司

Rainer Paetzel，相幹公司